C语言之动态内存管理

一、什么是动态内存分配

动态内存分配是指在程序执行的过程中动态地分配或者回收存储空间的分配内存的方法。与静态内存分配不同，动态内存分配不需要预先分配存储空间，而是由系统根据程序的需要即时分配，且分配的大小就是程序要求的大小。这种分配方式包括栈式或堆两种分配方式，其中堆是一种大小可以随着应用的运行动态增减的逻辑段。动态内存分配的本质就是在堆段上进行连续内存分配的管理，当需要动态数据结构的时候从堆上分配一块出来使用。这种分配方式相比静态分配会带来一些额外的开销，如果动态分配非常频繁，可能会产生很多无法使用的空闲空间碎片，甚至可能会成为应用的性能瓶颈。

int a = 20;//在栈空间上开辟四个字节 
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间 

上述的开辟空间的⽅式有两个特点： • 空间开辟⼤⼩是固定的。 • 数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整 但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间⼤⼩在程序运⾏的时候才能知 道，那数组的编译时开辟空间的⽅式就不能满⾜了。 C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间。

二、malloc和free

malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数： malloc

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

free

如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。 如果开辟失败，则返回⼀个 返回值的类型是 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使⽤的时候使用者自己来决定。 如果参数 size 为0，malloc的⾏为是标准是未定义的，取决于编译器

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔是⽤来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

free函数用来释放动态开辟的内存。 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。 malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 int* ptr = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 
 {
   int i = 0;
   for(i=0; i<num; i++)
   {
      *(ptr+i) = 0；
   }
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存 
 ptr = NULL;
 return 0;
}

三、calloc和realloc

C语⾔还提供了⼀个函数叫 calloc ， calloc 函数也⽤来动态内存分配。原型如下：

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全 0。

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 int main()
 {
    int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if(NULL != p)
    {
       int i = 0;
       for(i=0; i<10; i++)
      {
         printf("%d ", *(p+i));
      }
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
 }

输出结果：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

如果对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

realloc:

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。 • 有时会我们发现过去申请的空间太⼩了，有时候我们⼜会觉得申请的空间过⼤了，那为了合理的时候内存，我们⼀定会对内存的⼤⼩做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。 函数原型如下：

ptr 是要调整的内存地址 • size 调整之后新大小 • 返回值为调整之后的内存起始位置。 • 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。 • realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间

情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发⽣变化。

情况2

当是情况2的时候，原有空间之后没有⾜够多的空间时，扩展的⽅法是：在堆空间上另找⼀个合适⼤⼩ 的连续空间来使⽤。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

四、常见的动态内存的错误

对NULL指针的解引⽤操作

void test()
 {
  int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题 
  free(p);
 }

对动态开辟空间的越界访问

 void test()
 {
   int i = 0;
   int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
   if(NULL == p)
   {
     exit(EXIT_FAILURE);
   }
   for(i=0; i<=10; i++)
   {
       *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
   }
   free(p);
 }
 

对非动态开辟内存使⽤free释放

void test()
{
  int a = 10;
  int *p = &a;
  free(p);
}

使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

void test()
{
  int *p = (int *)malloc(100);
  p++;
  free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
 

对同⼀块动态内存多次释放

 void test()
 {
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 free(p);//重复释放
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
  int *p = (int *)malloc(100);
  if(NULL != p)
  {
    *p = 20;
  }
}
int main()
{
 test();
 while(1);
}

忘记释放不再使⽤的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放

五、柔性数组

C99中，结构中的最后⼀个元素允许是未知⼤⼩的数组，这就叫做 柔性数组 成员

typedef struct st_type
 {
 int i;
 int a[];//柔性数组成员
 }type_a;

柔性数组的特点：结构中的柔性数组成员前面必须⾄少⼀个其他成员。 sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。 包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该⼤于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小

柔性数组的使用

#include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 int main()
 {
  int i = 0;
  type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
  //.....
  p->i = 100;
  for(i=0; i<100; i++)
   {
     p->a[i] = i;
   }
  free(p);
  return 0
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间

上述type_a 结构也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。

//代码2 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
   int i;
   int *p_a;
}type_a;
int main()
{
   type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
   p->i = 100;
   p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
 //...
   for(i=0; i<100; i++)
   {
     p->p_a[i] = i;
   }
 //释放空间
   free(p->p_a);
   p->p_a = NULL;
   free(p);
   p = NULL;
   return 0;
}

上述 代码 1 和 代码 2 可以完成同样的功能，但是 第⼀个好处是：方便内存释放方法1的实现有两个好处： 如果我们的代码是在⼀个给别⼈⽤的函数中，你在里面做了⼆次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能 指望⽤⼾来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存⼀次性分配好了，并返回给用户⼀个结构体指针，用户做⼀次free就可以把所有的内存也给释放掉。 第⼆个好处是：这样有利于访问速度. 连续的内存有益于提⾼访问速度，也有益于减少内存碎⽚。

六、总结

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执⾏结束时 这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很⾼，但是分配的内 存容量有限。栈区主要存放运⾏函数⽽分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。

2. 堆区（heap）：⼀般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分配⽅ 式类似于链表。

3. 数据段(静态区) (static)存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。 4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码。